微机控制课程设计指导书

微机控制 课程设计指导书

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完成日期： 2013 年 5月

摘要

自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。本设计要求用单片机设计一个能在多种领域得到广泛应用的电阻炉温度控制系统。

目录

前言...................................................4 第一章 电阻炉简介......................................4 第二章 电阻炉温度控制系统的特性.......................4 第三章 电阻炉控制系统的硬件部分........................5 第四章 软件系统设计....................................11 参考文献...............................................16 心得体会...............................................16 原理图.................................................17

前言

电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、机械、建材等行业，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。本设计要求采用单片机设计一个电阻炉温度控制系统。

第一章 电阻炉简介

电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。

电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。

电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等。

第二章 电阻炉温度控制系统的特性

电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图2-1所示。被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二

阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图2-2所示。

SV 控制 执行装置 被控对象 被控参数

温度传感器 如图2-1

第三章 电阻炉控制系统的硬件部分

温度调节仪是控温系统的核心部分，采用单片机控制，实现智能化，它主要由输入通道、输出通道、人机对话通道以及一些外围电路组成，原理框图如图4-1所示。具体是由ATC52单片机、键盘及显示器接口电路等组成。它把传感器送来的温度信号进行放大、比较、运算后，输出控制信号，触发执行装置，实现温度的自动控制，同时还实现多种温度传感器的转换、调零、调幅的软调整等功能。为了提高系统的抗干扰能力，温度传感器信号应采用屏蔽线单独接地，此外，对主机亦采用电磁屏蔽措施，以防止其它的电磁干扰。

3.1结构框图

ATC51 温控电路 电阻炉 键盘 显示 ADC0809 传感检测 3.2 ATC51芯片概述

ATC51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。ATC2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的ATC51是一种高效微控制器，ATC2051是它的一种精简版本。ATC51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.2.1管脚介绍 VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为ATC51的一些特殊功能口，如下表所示： 口 管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（计时器0外部输入） P3.5 T1（计时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器

（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.3 A/D转换电路

ADC0809是一个典型的A/D转换芯片，为逐次逼近式8位CMOS型A/D转换器，片内有8路模拟选通开关、三态输出锁存器以及相应的通道地址锁存与译码电路。

ADC0809 可处理8 路模拟量输入， 且有三态输出能力， 既可与各种微处理器相连， 也可单独工作。输入输出与TTL 兼容。8 路8 位A／D 转换器， 即分辨率8 位。具有转换起停控制端。转换时间为100μs， 单个＋5V 电源供电， 模拟输入电压范围0～＋5V， 不需零点和满刻度校准。首先输入3 位地址， 并使ALE＝1， 将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A／D转换， 之后EOC 输出信号变低， 指示转换正在进行。直到A／D 转换完成， EOC 变为高电平， 指示A／D 转换结束，结果数据已存入锁存器， 这个信号可用作中断申请。当OE 输入高电平时， 输出三态门打开， 转换结果的数字量输出到数据总线上。

A/D转换是把从热电偶接收到的温度模拟量转换成温度数字量输送到单片机里，以便可以用单片机进行控制。 3.3.1引脚结构

（1）IN7~IN0：模拟量输入通道

（2）地址输入和控制线：4条 （3）数字量输出及控制线：11条 （4）电源线及其他：5条

输入为8个可选通的模拟量IN0-IN7。至于ADC转换器接收哪一路输入信号由地址A、B、C控制的8路模拟开关实现。 同一时刻，ADC0809只接收一路模拟量输入，不同时刻对8路模拟量进行模数转换。

3.4温控模块的设计

温度检测元件和变送器的选择和被控温度及精度等级有关。本设计采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶可用于0℃～1000℃的温度测量范围。系统功能和系统的工作工程为：反映炉温的热电偶, 用于采集炉内的温度信号，将采集到的信号经冷端补偿后送运算放大器放大, 由变送器将热电偶信号（温度信号）变为电流输出，再由高精密电流/电压变换器将电流信号变为标准电压信号，将放大的电压送入采样保持器和转换电路后得到与炉温相应的数字量。

具体设计为，将温度传感器输出的电流信号Iin，输入到电流/ 电压转换电路，在采样电阻R1 上获得对应的电压分量VR=R1*Iin，并将该值经过由R2，C1构成的带有一定延时(时间与温度传感器的响应时间相对应) 作用的低通滤波电路后，输入到放大器A1 的正相端。因为传感器输出4mA 时，在取样电阻上的电压不等于零，直接经模拟/数字转换电路转换后的数字量也不等于零，所以单片机不能直接利用，这样利用稳压管产生一个精确基准电压Vref 与R3。RW1构成的可调分压电路，通过调节RW1 可以获得精确的Vx=(Rx/RW1)Vref，该值可用于抵消4mA电流在取样电阻上产生的压降，所以当温度传感器为最小值4mA 时，A1的2 脚与3 脚之间的电压差基本为0V。与A1 相连的C2、R3、R4、R5 构成带有积分校正的放大电路，积分校正会增加系统的惯性，对变化较快的信号起阻尼作用。通过适当调整电阻就可以获得理想的比例增益，再将经过处理的温度传感器感测到的电信号VT 放大后，送入下一级的差值放大电路的负相端。系统的炉温工艺曲线经分段换算后转换为对应的电压数据。当系统投入运行后，为了实现误差测量，单片机依据时钟定时器，从运放A2 送入由A3、R6、R7、R8 和R9 构成的差值检测放大电路的正相端，与经过转换的采样电压值VT 作差，得到的差值△VT放大后送入A/D转换器0809。

另外，变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0-41.32mV变换成0-10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0-10MA电流变换成0-5V范围的电压。

3.5 晶闸管控制电路

图3.5 晶闸管功输出与通断时间关系

ATC52对温度的控制是通过晶闸管器实现的。晶闸管功输出与通断时间关系草图如图3.5所示。

双向晶闸管管和加热丝串联接在交流220V，50Hz交流试点回路。在给定的周期T内，ATC52只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。图3.5示出了晶闸管在给定周期T内具有不同接通时间的情况。显然，晶闸管在给定周期T的100%时间内接通的功率最大。

晶闸管接通时间可以通过可控硅控制板上控制脉冲控制。该触发脉冲由ATC52用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲后经光偶管和驱动器输送到可控硅的控制极上。偏差控制的原理是先求出史册炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号去调节电阻炉的功率，以实现对电阻炉的炉温控制。

在工业上，偏差控制又称为PID控制，这是工业控制中常用的控制形式，一般能收到令人满意的效果。

控制论告诉人们， PID控制的理想方程是：

UKp(E1deedtT) （3.1） DT1dt式中e— 测量值与给定值之间的偏差;

TD— 微分时间: T - 积分时间;

TTnUnKp[ene1D(enen1)]T1i1TKpenK1e1KD(enen1)i1n （3.2）

KP— 调节器的放大系数.

将上式离散化得到数字PID位置式算法

式中在位置式算法的基础之上得到数字PID 增量式算法：

UnKp(enen1)K1enK0(en2en1en2) （3.3） KpenK1enK0(enen1)第四章 软件系统设计

这次程序的软件设计主要运用Keil μVison3软件，这个软件是德国Keil Software公司推出的51系列兼容单片机软件开发系统。μVison3是集成的可视化Windows操作界面，其提供了丰富的库函数和各种编译工具，能够对51系列单片机以及和51系列兼容的绝大部分类型的单片机进行设计。Keil μVison系列可以支持单片机C51程序设计语言，也可以直接进行汇编语言的设计与编译。

Keil μVison系列的集成开发环境最高版本是μVison3，版本号为V8.08。Keil μVison系列是一个非常优秀的编译器，受到广大单片机设计者的广泛使用。

其主要特点如下：

①支持汇编语言、C51语言等多种单片机设计语言； ②可视化的文件管理，界面友好；

③支持丰富的产品线，除了51及其兼容内核的单片机外，还新增加了对ARM内核产品的支持；

④具有完善的编译连接工具； ⑤具备丰富的仿真调试功能，可以仿真串口、并口、A/D、D/A、定时器/计数器以及中断等资源，同时也可以和外部仿真器联合进行在线调试；

⑥内嵌RTX-51实时多任务操作系统；

⑦支持在一个工作空间中进行多项目的程序设计。 ⑧支持多级代码优化。

4.1 主程序

主程序主要完成加热控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用，以及实际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请

图4.1 主程序流程图

时，单片机通过循环对外部温度进行实时显示。

应当注意：由于T0被设定为计数器方式2，初值为06H，故它的溢出中断时间为250个过零同步脉冲。为了系统正常工作，T1中断服务程序的执行时间必须满足T0的制一时间要求，因为T1的中断是嵌套在T0中断之中的。 主程序框图如图4.1 4.2 T0中断服务程序

T0中断服务程序是温度控制系统的主程序，用于启动A/D转换器，读如数据采样，数字滤波，越权温度报警和处理，PID计算和输出晶闸管的同步触发脉冲等。P1.3引脚上输出的该同步脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，ATC51利用等待T1溢出中断空隙时间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显

示程序，ATC51从T1中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序，以等待下次T0中断。

T0中断服务程序框图如图4.2所示

图4.2 T0中断服务程序流程图

4.3 采样子程序

流程图如图4.3

采样值始址送R0 采样次数送R2 选同IN0 启动ADC 延时 N A/D完成？ Y N 所有采样结束？ Y 返 回 4.3采样子程序框图

4.4 数字滤波程序

数字滤波程序FILTER:用于滤去来自控制现场对采样值的干扰。 本设计采用中值滤波

如图4.4 数字滤波程序框图

图4.4数字滤波程序框图

(2CH)送A (2CH)≠(2DH)? Y Y N (2CH)>(2DH)? N (2CH)→←(2DH) N (2DH)≠(2EH)? Y (2DH) 送2AH Y (2DH)>(2EH)? Y (2DH) 送2AH N (2CH)≠(2EH)? Y (2EH)送2AH N (2EH)>(2CH)? Y (2CH) 送2AH (2EH)送2AH 返回

参考文献

[1] [2] [3] [4] [5]

丁镇生．传感器及传感技术应用．北京：电子工业出版社，2002 陈润泰、许琨．检测技术与智能仪表．长沙：中南工业大学出版社，1999 蔡美琴．MCS-51系列单片机系统及其应用．北京：高等教育出版社，1999 赵晶．Protel99高级应用．北京：人民邮电出版社，2000 付家才．单片机控制工程实践技术．北京：化学工业出版社，2004

心得体会

回想这次为期一周的课设，从开始进入课题到论文的顺利完成，有许多学长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

在这次课设中，我从各个模块查找资料，深入理解，不仅对我们学过的理论知识进行了一次全面的复习和巩固，而且还在电子电路、单片机等方面拓展了我们的知识面，为将来的实际工作打下良好的基础，特别是在分析问题，解决问题的方面得到了良好的锻炼机会，受益匪浅。其中，测温部分需要使用热电偶，这个让我查了好多的资料才明白它的原理，控温部分需要使用晶闸管，我就找到学过的电力电子书，深入理解它的原理与用法。通过这些努力，我终于完成了这次课设。

原理图